Des chercheurs de l’Université de l’État de Washington ont découvert des oscillations auto-entretenues dans le procédé Fischer Tropsch, une méthode industrielle clé pour convertir le charbon, le gaz naturel ou la biomasse en combustibles liquides. Cette avancée, révélant un comportement oscillatoire plutôt qu’un état stable de la réaction, pourrait conduire à une production de carburant plus efficace et plus contrôlée. La découverte offre une nouvelle approche basée sur les connaissances pour la conception de catalyseurs et l’optimisation des processus dans l’industrie chimique.
Des chercheurs de l’Université de l’État de Washington ont réalisé une avancée significative dans la compréhension du procédé Fischer Tropsch, une méthode industrielle clé pour convertir le charbon, le gaz naturel ou la biomasse en combustibles liquides. Contrairement à de nombreuses réactions catalytiques qui maintiennent un état stable, ils ont constaté que le processus Fischer Tropsch présente des oscillations auto-entretenues, alternant entre des états d’activité élevée et faible.
Cette idée, publiée dans la revue Scienceouvre des possibilités d’optimisation de la vitesse de réaction et d’augmentation du rendement des produits souhaités, conduisant potentiellement à une production de carburant plus efficace à l’avenir.
« Habituellement, les oscillations de taux avec de grandes variations de température sont indésirables dans l’industrie chimique en raison de problèmes de sécurité », a déclaré l’auteur correspondant Norbert Kruse, professeur émérite Voiland à la Gene et Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering de la WSU. « Dans le cas présent, les oscillations sont sous contrôle et mécaniquement bien comprises. Avec une telle base de compréhension, tant expérimentale que théorique, l’approche en matière de recherche et de développement peut être complètement différente : vous avez réellement une approche basée sur la connaissance, et cela nous aidera énormément.
Repenser la conception des catalyseurs
Bien que le procédé Fischer Tropsch soit couramment utilisé pour la production de carburants et de produits chimiques, les chercheurs comprennent mal le fonctionnement du processus complexe de conversion catalytique. Le processus utilise un catalyseur pour convertir deux molécules simples, l’hydrogène et le monoxyde de carbone, en longues chaînes de molécules – les hydrocarbures largement utilisés dans la vie quotidienne.
Alors qu’une approche par essais et erreurs est utilisée depuis plus d’un siècle dans la recherche et le développement dans les industries des carburants et des produits chimiques, les chercheurs seront désormais en mesure de concevoir des catalyseurs de manière plus intentionnelle et d’ajuster la réaction pour provoquer des états oscillatoires susceptibles d’améliorer le catalyseur. performance.
Les chercheurs ont découvert les oscillations pour la première fois par hasard après que l’étudiant diplômé Rui Zhang ait approché Kruse avec un problème : il n’était pas capable de stabiliser la température de sa réaction. En l’étudiant ensemble, ils ont découvert des oscillations surprenantes.
« C’était plutôt drôle », a déclaré Kruse. « Il me l’a montré et j’ai dit : « Rui, félicitations, tu as des oscillations ! Et puis nous avons développé cette histoire de plus en plus.
Les chercheurs ont non seulement découvert que la réaction développe des états de réaction oscillatoires, mais aussi pourquoi. Autrement dit, à mesure que la température de la réaction augmente en raison de sa production de chaleur, les gaz réactifs perdent le contact avec la surface du catalyseur et leur réaction ralentit, ce qui réduit la température. Une fois que la température est suffisamment basse, la concentration des gaz réactifs à la surface du catalyseur augmente et la réaction reprend de la vitesse. Par conséquent, la température augmente pour fermer le cycle.
Convergence théorique et expérimentale
Pour l’étude, les chercheurs ont démontré la réaction dans un laboratoire utilisant un catalyseur au cobalt fréquemment utilisé, conditionné par l’ajout d’oxyde de cérium, puis ont modélisé son fonctionnement. Le co-auteur Pierre Gaspard de l’Université Libre de Bruxelles a développé un schéma de réaction et l’a théoriquement imposé changer périodiquement les températures pour reproduire les vitesses expérimentales et les sélectivités de la réaction.
« C’est tellement beau que nous avons pu modéliser cela théoriquement », a déclaré l’auteur correspondant Yong Wang, professeur Regents à la Voiland School de la WSU, qui a également co-conseillé Zhang. « Les données théoriques et expérimentales coïncidaient presque. »
Kruse travaille sur les réactions oscillatoires depuis plus de 30 ans. La découverte du comportement oscillatoire avec la réaction de Fischer Tropsch a été très surprenante car la réaction est mécaniquement extrêmement compliquée.
« Nous ressentons parfois beaucoup de frustration dans nos recherches parce que les choses ne se passent pas comme vous le pensez, mais il y a des moments que vous ne pouvez pas décrire », a déclaré Kruse. « C’est tellement gratifiant, mais « gratifiant » est une expression faible pour exprimer l’enthousiasme suscité par cette fantastique avancée.
Les travaux ont été soutenus par le Chambroad Chemical Industry Research Institute Co., Ltd., la National Science Foundation et le programme Basic Energy Sciences Catalysis Science du ministère de l’Énergie.
